Creating a highly accurate neuro-musculo-skeletal model for the elderly people: Aiming to develop a fall prevention system

为老年人创建高精度神经肌肉骨骼模型：旨在开发跌倒预防系统

基本信息

批准号：
21J10122
负责人：
大津創
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

歩行速度は，push-off期に発生する推進力（=床反力の前方成分）によって調節され，快適歩行速度と推進力はともに加齢によって低下する．高齢者の歩行速度の低下は，歩行中の転倒を予測する強力な因子であるため，転倒を防ぐには歩行速度を維持するための推進力の強化が必要となる．また，推進力の低下を補うため，高齢者は後脚の股関節の屈曲トルクの増強によって代償することが知られており，この代償戦略が彼らの歩行を不安定化させると考えられるが，このメカニズムは明らかとなっていなかった．そこで，今年度はモデリング研究と実験研究の相補的アプローチによって，加齢による歩行中の推進力の低下が歩行を不安定化させるメカニズムの解明を試みた．具体的には，このメカニズムを解明するために，シンプルな歩行モデルにおいて，歩行速度を変えずに股関節のバネ剛性のみを高めた場合に，推進力，股関節屈曲トルク，margin of stability（MoS）がどのように変化するかを調べ,その関係がヒトの歩行においても成立するかを検証した．その結果，歩行速度が0.50～1.75m/sの場合，股関節のバネ剛性を高めると，モデルとヒトの歩行のどちらにおいても股関節屈曲トルクが増加し，推進力とMoSが減少することが分かった．さらに，股関節屈曲トルクの増加はバネ剛性の増加で説明でき，推進力とMoSの減少はバネ剛性の増加に伴う歩行のステップ周波数の増加で説明できることが分かった．したがって，股関節屈曲トルクの増大は推進力とMoSを減少させ，このメカニズムは股関節のバネ剛性を介することによって説明されることが分かった．本研究の成果は，歩行アシスト装置の制御設計や，高齢者の歩行戦略の理解の向上に役立つと考えられる．この成果のメインを国際誌へ提出し，現在査読中である．さらに，この成果の1部をISB/JSB 2023にて発表予定である．

步行速度是通过推进期间发生的推进力（=地板反作用力的前部成分）调节的，并且随着年龄的增长，舒适的步行速度和推进速度都会降低。老年人的步行速度较慢是一个有力的因素，可以预测步行时跌落的速度，因此为防止跌倒，有必要加强推进力以保持步行速度。此外，众所周知，老年人通过增加后腿臀部的屈曲扭矩来弥补推进力的下降，尽管人们认为这种补偿性策略会破坏步态的稳定，但这种机制尚不清楚。因此，今年我们试图阐明通过涉及建模和实验研究的互补方法，通过步行而导致的行走过程中的推进力量减少变得不稳定的机制。具体而言，为了澄清这种机制，我们研究了仅当仅在不改变简单步行模型中髋关节的弹簧刚度而不改变步行速度的情况下，并检查这种关系是否在人的行走中也是如此。结果表明，当步行速度为0.50至1.75 m/s时，增加髋关节的弹簧刚度会增加髋屈曲扭矩，并降低模型和人类的推进力和MOS。此外，发现可以通过弹簧刚度的增加来解释髋屈曲扭矩的增加，并且推进力和MOS的减小可以通过步行步骤频率的增加，而弹簧刚度的增加。因此，发现增加的髋屈曲扭矩会减少推进和MOS，并且通过通过髋关节弹簧刚度来解释这种机制。这项研究的结果被认为在设计步行辅助设备的控制和改善对老年人的步行策略的理解方面很有用。主要结果已提交给国际杂志，目前正在审查中。此外，这项成就的一部分将在ISB/JSB 2023宣布。